Blisko dwa lata później, 6 stycznia 1972 w Dąbrowie Górniczej, Marchwicki został aresztowany po tym, jak jego żona złożyła zawiadomienie do Milicji Obywatelskiej o znęcaniu się nad nią i dziećmi. W maju 1972 aresztowani zostali bracia Zdzisława: Jan i Henryk. Ich siostra Halina Flak została aresztowana w lipcu 1972, a jej syn Zdzisław Flak w listopadzie 1972. Ostatniego aresztowania dokonano w grudniu 1972, osobą tą był kochanek Jana Marchwickiego – Józef Klimczak.

Śledztwo w sprawie Wampira trwało ponad 2 lata, akta sprawy obejmowały ponad 166 tomów. Proces poszlakowy rozpoczął się 18 września 1974 w Klubie Fabrycznym Zakładów Cynkowych „Silesia” w Katowicach. Miał być pokazowy i tak też się stało. Cieszył się dużym zainteresowaniem; wejście na salę umożliwiała tylko specjalna wejściówka. Rozprawie przewodniczył sędzia Władysław Ochman, oskarżycielami byli Józef Gurgul i Zenon Kopiński. Obrońcami Marchwickiego zostali znani adwokaci: mec. Bolesław Andrysiak oraz mec. Mieczysław Frelich. 28 lipca 1975 Sąd Wojewódzki w Katowicach uznał Zdzisława Marchwickiego za winnego popełnienia zarzucanych mu czynów (zabójstwa 14 kobiet i usiłowanie zabójstwa kolejnych 6) i skazał go na karę śmierci. Rada Państwa Polskiej Rzeczypospolitej Ludowej nie skorzystała z prawa łaski. Wyrok wykonano w Areszcie Śledczym w Katowicach.